Złamana ręka, leczenie zęba, badania okresowe – to tylko niektóre sytuacje, w których spotykamy się z prześwietleniami. Ich historia sięga XIX wieku, lecz pomimo długiego stażu wciąż są używane, oferując szybkość, prostotę i pokaźną dawkę informacji. Ich podstawową wadą jest wykorzystywanie promieniowania, które czasami może nam szkodzić. Wady tej pozbawiona jest jednak nowa technika prześwietleń terahercowych. Czy zrewolucjonizuje medycynę?
W 1895 Wilhelm Röntgen odkrył promieniowanie X, które później zostało nazwane od jego nazwiska „rentgenowskim”. Badając jego własności, Röntgen szybko zauważył, że może być wykorzystane do prześwietleń ludzkiego ciała, a jedno z pierwszych zdjęć RTG obrazujących rękę jego żony (patrz poniżej) jest do dziś jednym z najbardziej rozpoznawalnych i kultowych zdjęć medycznych.
Zdjęcie rentgenowskie lewej ręki Anny Berthy Ludwig – żony Wilhelma Röntgena konane w 1895 roku. (źródło: wikipedia)
Prostota tej techniki jest wręcz urzekająca. Z jednej strony pacjenta umieszcza się lampę wytwarzającą promieniowanie X. Promieniowanie przechodząc przez ciało jest częściowo pochłaniane, przy czym stopień absorpcji zależy od składu pierwiastkowego i gęstości ośrodka, przez który przechodzi. Na przykład mięśnie słabo pochłaniają promieniowanie, kości znacznie lepiej, a wszelkie metalowe elementy, np. stenty, najlepiej. Dzięki temu na ekranie znajdującym z się drugiej strony pacjenta uwidaczniane są szczegóły wnętrza jego ciała.
Niestety jest jeden problem…
Technika RTG posiada potężną wadę – wykorzystuje promieniowanie jonizujące, czyli takie, które może uszkadzać komórki. Z tego powodu liczba i długość prześwietleń są ograniczane, a personel medyczny biorący udział w badaniach RTG jest w odpowiedni sposób zabezpieczany. Odpowiednie filtry i osłony chronią również pacjenta, aby pochłonięta dawka promieniowania była jak najmniejsza, a samo promieniowanie skierowane tylko w wybrany fragment ciała pacjenta. Prześwietleń nie powinny także wykonywać kobiety w ciąży.
Czy możemy tego problemu uniknąć? Owszem. Znane są współcześnie techniki obrazowania medycznego, które w nieinwazyjny sposób są w stanie ukazać wnętrze pacjenta. Zaliczamy do nich np. ultrasonografię (USG) i obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (MRI). Żadna z nich nie jest jednak tak szybka i prosta jak poczciwe RTG. Od kilkunastu lat intensywnie rozwijany jest więc nowy typ prześwietleń – obrazowanie za pomocą fal terahercowych.
Fale terahercowe – a co to takiego?
Fale terahercowe (THF) to fale elektromagnetyczne o częstotliwości pomiędzy 300 GHz a 3 THz. Mieszczą się one pomiędzy mikrofalami a promieniowaniem podczerwonym i mogą być uznane za wysokoczęstotliwościowego „kuzyna” fal radiowych używanych w transmisji komórkowej i Wi-Fi. Dotychczas były wykorzystywane jedynie przez astronomów obserwujących odległe zakątki wszechświata. Ich unikalne własności sprawiają jednak, że nadają się również do prześwietleń.
Co ważne, promieniowanie terahercowe jest niejonizujące. Oznacza to, że nie uszkadza komórek, tak jak to robią promienie X. Dodatkowo fale THF są mocno tłumione przez wodę, dlatego dobrze nadają się do obrazowania miękkich tkanek w ciele człowieka, składających się głównie z H2O. Pozwalają np. na uwidocznienie guzów nowotworowych, które wiążą się ze zmianą ukrwienia okolicznych tkanek, co pociąga za sobą zmiany zawartości wody. Klasyczne prześwietlenie RTG nie daje takiej możliwości.
Zobacz więcej dzięki THF
Obrazowanie za pomocą fal THF zostało po raz pierwszy wykonane w roku 1995 w USA [1], a pierwszym prześwietlonym obiektem był liść (patrz poniżej). Zdjęcie ukazywało użyłkowanie i proces utraty wody podczas wysychania. Cóż, nie jest to może imponujący obraz, ale dał nadzieję, że podobnie jak żyłki liścia będziemy w stanie obrazować układ krwionośny człowieka.
Od lat 90. technika ta mocno się rozwinęła. Pokazano m.in., że za jej pomocą można zobaczyć zmiany zawartości tłuszczu oraz rozróżnić tkanki zdrowe od zainfekowanych w zakażeniu bakteryjnym [2]. Udowodniono także, że nadaje się do obrazowania obrzęków oraz zmian w skórze np. spowodowanych poparzeniem oraz do obserwacji procesu gojenia się ran i tworzenia się blizn [3].
Wadami obecnych zdjęć THF jest niestety zaszumiony obraz, co związane jest z niedoskonałościami źródeł fal terahercowych. Sprawia to, że uzyskanie dobrej jakości zdjęcia zajmuje nawet do kilku minut, stwarzając oczywiste problemy – im dłuższy czas zbierania obrazu, tym dłużej pacjent musi wytrzymać bez ruchu. To jeden z powodów, dla których prześwietlenia terahercowe nie zastąpią tradycyjnych prześwietleń i zapewne używane będą tylko w specyficznych przypadkach.
Pierwsze prześwietlenie za pomocą fal terahercowych obrazujące rozkład wody w liściu świeżo zerwanym (po lewej) oraz po 48 godzinach od zerwania (po prawej) [1].
Co oprócz medycyny?
Medycyna to jednak nie wszystko. Fale THF mogą być również używane do prześwietlania przesyłek pocztowych lub bagaży, np. na lotniskach. W szczególności niektóre materiały wybuchowe i narkotyki bardzo mocno pochłaniają promieniowanie THF, co oznacza, że mogą zostać bardzo łatwo wykryte [4]. Podobnie jak w przypadku medycyny tego typu prześwietlenia mogą być świetnym uzupełnieniem klasycznych zdjęć RTG.
Prześwietlenie terahercowe bagażu zawierającego dwa pistolety [4].
Obecnie testuje się także zastosowanie prześwietleń terahercowych w przemyśle spożywczym do wykrywania zanieczyszczeń oraz w przemyśle farmaceutycznym do kontroli tabletek, w szczególności jakości ich otoczek. Fale THF znajdują również zastosowanie w analizie dzieł sztuki i są zdolne odkrywać kolejne warstwy malarskie oraz rysunki ukryte pod warstwą farby. Archeolodzy również zaczynają korzystać z ich dobrodziejstw przy badaniu zawartości mumii i struktury glinianych zabytków archeologicznych [4]. A to zapewne dopiero początek przygody z wysokoczęstotliwościowym kuzynem fal radiowych.